Projektowanie łańcucha sygnałów RF dla systemów radaru „ćwierkającego” z falą ciągłą o modulowanej częstotliwości (FMCW)

Gdybyśmy mogli usłyszeć sygnał RF z „ćwierkającego” systemu radarowego, mógłby on brzmieć jak szpak bramiński.

W systemach radarowych do samochodów i UAV sygnały radaru są wzmacniane poprzez łańcuch sygnałów. Dla zapewnienia precyzyjnego wykrywania odbitego sygnału oraz zmaksymalizowania zasięgu i rozdzielczości systemu radarowego kluczowe znaczenie ma wzmocnienie sygnału. Chociaż dostępne są pewne układy scalone integrujące cały łańcuch sygnałów w jednej obudowie, mogą one nie spełniać konkretnych wymogów. W takich sytuacjach trzeba pomyśleć o zaprojektowania własnego łańcucha sygnałów dla „ćwierkającego” systemu radarowego.

Podstawowe informacje o łańcuchu sygnałów RF dla systemów radaru „ćwierkającego” FMCW

W systemach radaru „ćwierkającego” FMCW częstotliwość przesyłana do anten Tx jest syntetyzowana za pomocą rampy liniowej (np. za pomocą oscylatora przestrajanego napięciem VCO). Gdy spojrzymy na funkcję częstotliwości w czasie, idealny wykres miałby kształt sinusoidy. W rzeczywistości wykres częstotliwości wyjściowej może bardziej przypominać schody, gdy emitowana częstotliwość jest syntetyzowana przy wartościach dyskretnych.

Zasięg i rozdzielczość to dwa istotne aspekty projektowe w przypadku „ćwierkających” systemów radarowych. W przypadku systemu radarowego FMCW z rampą liniową (takim jak stosowane w branży motoryzacyjnej i UAV) poniższe równanie pokazuje metodę obliczania maksymalnego użytkowego zasięgu w funkcji żądanej wartości SNR (stosunek sygnału do szumu) oraz moc sygnału wyjściowego Tx z anteny:

Zasięg maksymalny dla systemów FMCW radar 

Wartość szumu (NF) jest równa logarytmowi Rx SNR podzielonemu przez Tx SNR. Rozdzielczość zasięgu w radarze FMCW również można z łatwością obliczyć, jeśli chodzi o pasmo „ćwierkania” (np. 4 GHz w samochodowym radarze 77 GHz).

Rozdzielczość zasięgu w systemach FMCW radar 

Za pomocą radaru FMCW można określić prędkość zbliżającego się obiektu poprzez ekstrakcję zmiany częstotliwości kolejnych sygnałów za pomocą detekcji heterodynowej. Ta zmiana częstotliwości wynika z efektu Dopplera i umożliwia łatwe obliczenie prędkości celu. W połączeniu z emisją kierunkową z fazowanego układu antenowego można również wykorzystać system radaru do obliczenia kierunku ruchu celu. Ten aspekt jest bardzie związany z tematyką przetwarzania sygnałów, w związku z czym wykracza poza zakres niniejszego artykułu. Tu chcemy się skupić na tym, jak konkretne charakterystyki wzmacniaczy RF wpływają na integralność sygnału w łańcuchu sygnałów.

Produkty intermodulacji i zniekształcenia harmoniczne

Syntetyzowana częstotliwość po stronie Tx w radarze FMCW nie jest pojedynczą częstotliwością. W syntezie częstotliwości obwód lub element nieliniowy generujący żądany zmodulowany sygnał może również generować harmoniczne wyższego rzędu dodatkowo do listków bocznych. Te składowe wpływają wtedy do wzmacniacza Tx. Wzmacniacz mocy po stronie Tx zasadniczo działa blisko stanu nasycenia i wyjście szybko staje się nieliniowe, żeby wytwarzać żądaną moc wyjściową i spełnić wymogi dotyczące zasięgu. To powoduje generowanie produktów intermodulacji, które pojawiają się na wyjściu wzmacniacza przy narastaniu częstotliwości. Jest to podobne do tego, co dzieje się w intermodulacji pasywnej.

Te harmoniczne wyższego rzędu oraz produkty intermodulacji trzeba w miarę możliwości odfiltrować z sygnału po stronie Tx przed wzmacniaczem. Harmoniczne i produkty intermodulacji będą miały mniejsze natężenie ze względu na ograniczone pasmo wzmacniacza i anteny. To powoduje zredukowanie mocy harmonicznych wyższego rzędu oraz produktów intermodulacji, które są wysyłane do anteny i emitowane.

Te same harmoniczne wyższego rzędu oraz wszelkie produkty intermodulacji w emitowanym sygnale będą się odbijać od celu i mogą zostać wykryte w odbiorniku. To oznacza, że po stronie Rx również powinien znajdować się filtr usuwający harmoniczne wyższego rzędu oraz produkty intermodulacji. Idealnie pasma wszelkich filtrów powinny zachodzić na pasmo „ćwierkania”, choć to nie zawsze jest możliwe. Wszelkie produkty intermodulacji oraz harmoniczne wyższego rzędu faktycznie zwiększają poziom szumów w łańcuchu sygnałów. Produkty intermodulacji w szczególności mogą zakłócać ekstrakcję częstotliwości dudnienia.

Łańcuch sygnałów RF w radarze FMCW

Spośród różnych produktów intermodulacji, które mogą zostać wygenerowane, największe znaczenie z dwóch powodów ma produkt 3. rzędu (IM3). Po pierwsze: ta szczególna para częstotliwości ma tendencje do występowania blisko częstotliwości żądanego sygnału i często mieści się w pasmach następnych podzespołów w łańcuchu sygnałów.

Po drugie: produkt intermodulacji 3. rzędu określa maksymalny poziom wejściowy harmonicznej podstawowej po stronie odbioru. Gdy moc podstawowej harmonicznej wzrasta, zwiększa się również moc harmonicznej 3. rzędu i poziomy tych dwóch sygnałów ostatecznie się zrównują. Ten punkt nazywa się punktem przechwytywania trzeciego rzędu (3OIP) i określa on najwyższy poziom sygnału wejściowego, jaki można niezawodnie stosować po stronie Rx, zachowując liniowość wzmacniacza i zapewniając możliwość ekstrakcji żądanego sygnału.

Usunięcie harmonicznych wyższego rzędu z sygnału wejściowego po stronie Tx jest dość proste: wystarczy zastosować filtr pasmowy bardzo wysokiego rzędu. Wszelkie resztkowe harmoniczne wyższego rzędu modulowane częstotliwościowo mogą generować własne produkty intermodulacji przy niższych częstotliwościach, które znajdują się w pobliżu żądanego pasma częstotliwości. Usunięcie wszelkich produktów intermodulacji w pobliżu żądanego pasma częstotliwości wymaga bardzo precyzyjnych filtrów, co nie zawsze jest możliwe do wykonania.

Równowaga harmonicznych i pomiary load-pull dla analizy wzmacniaczy nieliniowych

Aby zmaksymalizować transfer mocy ze wzmacniaczy do dalszych podzespołów w układzie RF, trzeba zastosować analizę load-pull do dopasowania impedancji dla impedancji wyjściowej wzmacniacza Tx w łańcuchu sygnałów. Jest to szczególnie ważne dla badania zachowania wzmacniacza pracującego z dużymi sygnałami wejściowymi (np. wzmacniacza Tx), ponieważ typowe analizy DC/AC dają nieprawidłowe rezultaty przy wysokich poziomach sygnałów wejściowych.

Aby mieć wyobrażenie o wpływie niepożądanych harmonicznych na integralność sygnału w danym układzie, trzeba zastosować taką technikę jak analiza równowagi harmonicznych, żeby ustalić, jak harmoniczne wyższego rzędu występujące na wejściu wzmacniacza będą wyglądać na wyjściu. Warto zauważyć, że w przypadku wzmacniacza działającego w sposób liniowy (najlepiej po stronie Tx), sygnał wyjściowy można określić przy użyciu funkcji przenoszenia wzmacniacza,który następnie można określić stosując analizę częstotliwości w symulacji na bazie SPICE.

Analiza równowagi harmonicznych została zaprojektowana specjalnie do określenia tego, jak harmoniczne wyższego rzędu obecne w sygnale wejściowym w obwodzie nieliniowym zostaną przeniesione na wyjście. Nie będziemy tu zagłębiać się w szczegóły analizy równowagi harmonicznych, ale istnieje szereg pakietów symulacyjnych, które można wykorzystać do równowagi harmonicznych przy użyciu modeli SPICE czy IBIS.

Są jeszcze inne ważne wytyczne projektowe, które trzeba zasadniczo uwzględnić, pracując z częstotliwościami fal milimetrowych i mikrofalowymi. Obejmują one wytyczne dotyczące prowadzenia i układu linii transmisyjnych (patrz ten artykuł omawiający wytyczne dla radarów samochodowych 77 GHz), kwestii produkcji oraz doboru materiału substratu.

Narzędzia do projektowania układów, doboru podzespołów oraz symulacji dostępne w Altium Designer zapewniają szeroki zestaw narzędzi do pracy z „ćwierkającymi” systemami radarowymi. Narzędzia do symulacji i modelowania są bardzo przydatne do określenia najlepszych wyborów dotyczących projektu i układu obwodu dla „ćwierkających” systemów radarowych.

Pobierz bezpłatną wersję próbną oprogramowania Altium Designer i dowiedz się więcej o najlepszych w branży narzędziach do rozmieszczania podzespołów, symulacji oraz planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.